«Парниковый ад». Действительно ли ученые нашли жизнь на далекой планете

В интернете прогремела новость о находке биомаркеров на планете K2-18b. Астрофизик, журналист Борис Штерн объясняет, почему, скорее всего, в этом случае нельзя говорить о внеземной жизни, а также рассказывает, как и когда она может быть найдена.

Есть ли жизнь на K2-18b?

Недавнее открытие диметилсульфида и диметилдисульфида на экзопланете K2-18b стало громкой новостью в СМИ. Но я сразу отнесся к этому как к курьезу, потому что подобные ей планеты практически непригодны для жизни — это очевидно даже при поверхностном рассмотрении.

Мы говорим о так называемом «субнептуне», который формально находится в зоне обитаемости своей звезды. Но зона обитаемости красного карлика — уже очень неблагоприятная история. Эти светила в принципе крайне неудобны для возникновения жизни.

Что такое «субнептун»? Это довольно большая планета с массой примерно в 9 раз больше массы Земли, с чрезвычайно плотной атмосферой и, как следствие, огромным парниковым эффектом.

Атмосфера этой планеты довольно хорошо изучена с помощью транзитного метода, когда планета проходит на фоне звезды, и за счет этого мы можем провести спектральный анализ газов, из которых она состоит. Для этого нужен очень хороший телескоп, и он есть — это космические телескопы «Хаббл» и «Джеймс Уэбб», которые наблюдали за K2-18b.

В ее атмосфере обнаружили воду, углекислый газ, водород и метан. Интересно, что не нашли аммиака, который должен сопутствовать всей этой химии. Первое предположение ученых — на планете может быть очень много воды, глубокий океан, и аммиак растворяется в воде, исчезая из атмосферы.

Это стало аргументом в пользу того, что планета может быть пригодна для обитания. Но проблема с парниковым эффектом никуда не делась. При температуре около 640 кельвинов или выше вода существует не как привычная нам жидкость, а как сверхкритический флюид — нечто среднее между водой и паром без четкого фазового перехода.

Есть и альтернативная гипотеза: вместо воды там может быть расплавленная магма, которая тоже поглощает аммиак. Но оба варианта крайне неблагоприятны для жизни.

Призрачная статистика и хрупкие доказательства

История с диметилсульфидом примечательна тем, что его дважды якобы открывала одна и та же группа исследователей. Первый раз — в 2023 году с помощью телескопа «Джеймс Уэбб». Были получены спектры в диапазоне от 1 до 5 микрон, где заметили признаки этого соединения. Но другие ученые показали, что спектр полностью объясняется уже известными компонентами атмосферы. Затем провели повторные измерения в другом диапазоне — от 5 до 10 микрон — и снова заявили об обнаружении диметилсульфида. Но в самой статье честно написано, что статистическая значимость этих данных слабая.

В исследовании приводится цифра 99,7% вероятности обнаружения диметилсульфида, что соответствует значимости три сигма. В научном мире это считается весьма слабым свидетельством. Такая значимость может быть сильным доказательством только если мы ищем ответ типа «да-нет» в ситуации с двумя возможными исходами. Когда же существует множество вариантов интерпретации данных, эта цифра практически ничего не значит.

Кроме того, ошибки измерений легко недооценить. Задача крайне сложная: планета проходит на фоне неоднородной звезды, у которой спектр в разных ее участках отличается. Особенно это касается красных карликов с их масштабными звездными пятнами. Выделить слабый сигнал атмосферы экзопланеты из мощного спектра звезды — задача, в которой легко провраться с оценкой ошибок измерения.

Исследователи подогнали под обнаруженный сигнал диметилсульфид, который хорошо совпал с экспериментальными точками. Подгонять тот же спектр под комбинацию других веществ, которые точно имеются в атмосфере К2-18b, они то ли не стали, то ли не привели результатов такой подгонки в своей статье. На мой взгляд, вода плюс метан вполне могут объяснить наблюдаемый спектр, может быть чуть хуже, но разница с диметилсульфидом тогда будет совсем не значимой.

Такой уровень статистической значимости очень легко «убить» разными подгонками. Любая добавка какого-нибудь вещества сразу эту статистическую значимость разрушает. В самой статье авторы правильно написали, что свидетельства обнаружения вышеуказанных веществ статистически слабы.

Балаган из науки: когда хайп вредит

Распространенное явление в современной науке: статья написана корректно, авторы признают слабость доказательств, но в пресс-релизах и интервью начинается нагнетание хайпа и сенсационности.

Эта ситуация напоминает нашумевшую историю с «открытием» и последующим «закрытием» фосфина на Венере три года назад. Тогда тоже был обнаружен биомаркер с сомнительной достоверностью, а затем его открытие опровергли. Подобного становится все больше, и складывается ощущение, что поиск биомаркеров превращается в гонку сенсаций.

Я считаю, что это очень плохо. Пусть подобные события и привлекают внимание к науке, но лучше бы это происходило не таким образом. Остается впечатление, будто наука — это некий балаган, где сначала выскакивает клоун с громким сообщением, а потом выскакивает другой и говорит, что ничего не произошло.

Что же касается «надежных» биомаркеров, то среди отдельных веществ их практически нет. Свидетельствовать о наличии жизни может комбинация определенных условий и признаков. Например, большое количество молекулярного кислорода в условиях, похожих на земные: не слишком «ядовитая» звезда, не слишком большой поток рентгеновского излучения, светило солнечного типа, нормальная температура. Плюс наличие метана, который при таком количестве кислорода был бы нестабильным без постоянного воспроизводства благодаря биологическим процессам.

Но до возможности зафиксировать такую комбинацию мы инструментально еще не доросли. Телескоп «Джеймс Уэбб» светосильный, «видит» далеко, работает в инфракрасной области спектра, но атмосфера землеподобной планеты слишком тонкая для него. Сейчас астрономы способны наблюдать только большие планеты с толстыми атмосферами. Вначале видели только атмосферы планет-гигантов, потом — планет типа Нептуна, теперь видят «субнептуны». До планет земного типа мы еще не добрались.

Как разглядеть далекую Землю

Текущие технологии не позволяют с высокой вероятностью определить наличие жизни на экзопланетах за пределами Солнечной системы. В пределах нашей системы нам доступно больше исследовательских возможностей, но для дальних миров ситуация сложнее.

Следующий шаг в технологическом развитии — гигантский наземный телескоп ELT. Хотя его недостаток в том, что он наземный, но все равно он видит краешек инфракрасного спектра, где есть полосы поглощения. Он имеет шанс напрямую увидеть близкие экзопланеты, находящиеся в зоне обитаемости.Такой телескоп не сможет получить детальное изображение планеты, но с хорошим звездным коронографом, закрывающим саму звезду, сможет зафиксировать планету как отдельную точку. С помощью этой технологии мы сможем увидеть, например, экзопланеты у Тау Кита.

По-настоящему революционным был бы космический интерферометр — проект, подобный «Дарвину», который, к сожалению, закрыт. Согласно симуляциям, он мог бы обнаружить двойника Земли с расстояния 10 парсек, зафиксировать линию озона в спектре, полосы поглощения воды, измерить температуру поверхности, увидеть полосу углекислого газа.

Это был бы набор из нескольких космических телескопов типа «Джеймс Уэбб», расположенных друг относительно друга с точностью до долей длины волны света. Если с помощью такой технологии обнаружить планету со значительным содержанием кислорода в атмосфере, это стало бы очень сильным, хотя и не стопроцентным, свидетельством наличия жизни.

Например: звезда не очень активная, типа Солнца; планета в зоне обитаемости с нормальной температурой поверхности; мощная линия озона (кислород плохо обнаруживается, а озон хорошо); вода; углекислый газ. В такой системе, если содержание кислорода составляет 10-20%, его невозможно получить абиогенным путем, особенно при спокойной звезде.

Сейчас инструментов для таких исследований у нас нет. Но принципиальных технологических препятствий тоже нет — всё упирается в финансирование. Метод транзитов и спектральный метод — два основных способа обнаружения экзопланет. Спектральный метод имеет историю около 30 лет, за его разработку была присуждена Нобелевская премия. Космический телескоп Кеплер поставил на поток поиск кандидатов в экзопланеты методом транзитов.

Текущая точность измерений позволяет зафиксировать колебания звезды со скоростью порядка 40-50 сантиметров в секунду. Этого пока недостаточно для обнаружения планет с массой, сравнимой с Землёй. Но процесс совершенствования инструментов продолжается, и в будущем такие планеты, безусловно, будут найдены.

Чтобы обнаружить планету с массой Земли по колебаниям звезды со скоростью около 10 сантиметров в секунду, нужно очень долго наблюдать за звездой исключительно хорошим инструментом. Скорее всего, этот инструмент должен находиться в космосе, поскольку атмосфера вносит дополнительные шумы. Это требует больших финансовых затрат и огромной работы, потому что звезда сама по себе «дышит» и колеблется — нужен учет множества факторов и очень хорошая ее модель.

В принципе, непреодолимого предела, который не позволил бы нам обнаруживать планеты земного типа, нет. Но я предполагаю, что раньше в строй вступит метод прямого наблюдения — новый гигантский телескоп ELT с огромным зеркалом, высокой светосилой и адаптивной оптикой. Если удастся создать хороший звёздный коронограф, чтобы заслонить саму звезду, то мы сможем увидеть планеты напрямую. Это станет настоящей революцией.

Такой телескоп не может видеть далёкие планеты, но нам прежде всего интересны близкие. Он сможет напрямую наблюдать систему Тау Кита — довольно близкую к нам систему, где уже обнаружены планеты в зоне обитаемости, хотя они слишком большие для наличия жизни.

Зачем нам знать, что мы не одни

Любой научный поиск является благой целью, потому что он стимулирует развитие. Он развивает не только отдельных исследователей, но и человечество в целом. Люди размышляют об этих вопросах, и это само по себе ценно, даже если нет прямых перспектив обнаружить жизнь.

По-настоящему убедиться в наличии жизни на экзопланете можно было бы, отправив туда зонд, но это тысячелетний проект, до которого человечество просто еще не доросло. Более реалистичная задача — искать планеты, пригодные для жизни, в ближайшем космическом окружении.

Поиск жизни развивает человека и методы исследования. Обилие заинтересованных студентов в этой области в конечном счете развивает и человеческое сообщество в целом. И хотя материальный выход от таких исследований вторичен, интеллектуальный гораздо интереснее и важнее.

Данные космического телескопа «Кеплер» по далеким планетным системам показывают, что около четверти звезд, похожих на Солнце (или оранжевых карликов), имеют планеты земного типа в зоне обитаемости.

Пока что большинство открытий экзопланет делается вокруг красных карликов, потому что возле них планеты обнаруживаются легче любым способом. Это как поиск под фонарем. Вероятность транзитов таких экзопланет больше из-за меньшего размера звезды и более тесного расположения планет, эффект от прохождения планеты сильнее. А если говорить о методе лучевой скорости, то тут эффект тоже значительнее из-за меньшей массы звезды.

Что касается звезд типа Солнца в ближайших окрестностях нашей системы — обнаруженные у них планеты все тяжелее Земли, потому что метод лучевой скорости не позволяет обнаружить планету с массой Земли в зоне обитаемости. Есть планеты с массой, близкой к земной, но они расположены слишком близко к своим звёздам и слишком горячие.

Таким образом, землеподобных планет мало не из-за их редкости, а из-за сложности их обнаружения современными методами. В реальности их должно быть множество. Я, например, сильно подозреваю, что в системе Тау Кита, где две суперземли расположены по краям зоны обитаемости, между ними должна быть еще одна планета земного типа, которая находилась бы в точном орбитальном резонансе 1/2 с каждой из этих планет.

---

Мнение автора может не совпадать с мнением редакции